摘要：針對高校學(xué)生宿舍電能計(jì)量控制系統(tǒng)不方便學(xué)生實(shí)時查詢的狀況,分析了網(wǎng)絡(luò)電能計(jì)量集采控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),以ARM芯片和Linux操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了嵌入式電能數(shù)據(jù)采集終端及Web服務(wù)器,采用該嵌入式電能計(jì)量系統(tǒng)能方便地進(jìn)行電能數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)查詢和管理。

　　1 引言

　　高校學(xué)生宿舍用電控制系統(tǒng)采用智能電能計(jì)量集采控制系統(tǒng),一般學(xué)校 已統(tǒng)一規(guī)劃購置到位,。但在使用時發(fā)現(xiàn)學(xué)生只是被動地被管理, 學(xué)生并不能 直觀了解相關(guān)用電數(shù)據(jù),，不方便查詢和提醒剩余電量，宿舍經(jīng)常在不知不覺 中突然停電,，如果在傍晚或者周末,電工沒有上班,，停電后不能及時買電, 只能在黑暗中度過了,嚴(yán)重影響了學(xué)生的正常生活,。考慮到學(xué)生上網(wǎng)方便,， 如果學(xué)生能夠隨時通過網(wǎng)站查詢到自己房間的剩余電量,，及時買電就可避免 以上情況。本文設(shè)計(jì)了一個既能接入宿舍電量采集系統(tǒng)又能接入校內(nèi) Intranet 信息網(wǎng)絡(luò)的嵌入式電能計(jì)量及查詢系統(tǒng),，在電能數(shù)據(jù)采集終端 (ERTU)采用嵌入式ARM2410 芯片和嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)Linux,，在linux 的 基礎(chǔ)上結(jié)合嵌入式Web 服務(wù)器技術(shù)，構(gòu)成完整的嵌入式系統(tǒng)Web 服務(wù)器,，將 其作為數(shù)據(jù)采集器嵌入到在現(xiàn)有的電能計(jì)量集采控制系統(tǒng)中,，既可以與管理計(jì)算機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)，也可以供學(xué)生登陸實(shí)時查詢用電信息,。

　　2 電能計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　電能計(jì)量系統(tǒng)框圖如圖1 所示,，在遠(yuǎn)程電能數(shù)據(jù)采集終端(ERTU)采用嵌 入式CPU 和嵌入式實(shí)時linux 構(gòu)成完整的嵌入式系統(tǒng),在linux 的基礎(chǔ)上結(jié) 合嵌入式Web 服務(wù)器技術(shù),可實(shí)現(xiàn)實(shí)時、動態(tài)的交互查詢功能,。ERTU 采用定 時或者實(shí)時啟動抄表任務(wù),通過RS-485 總線讀取智能電能表內(nèi)的電量信息和事件信息,支持標(biāo)準(zhǔn)的RS-485 串口數(shù)據(jù)輸出,。每一個ERTU 裝置都可以接 多路RS-485 總線,這樣就可以同時采集多路的電能表信息。利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò) 硬件基礎(chǔ),，方便地建立基于TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的Internet/Intranet 網(wǎng)絡(luò)系 統(tǒng),。Web 技術(shù)允許任意地點(diǎn)的用戶通過瀏覽器接入網(wǎng)絡(luò)，通過電能計(jì)量管理 工作站訪問嵌入式Web 服務(wù)器,，管理和維護(hù)電能數(shù)據(jù)采集終端的數(shù)據(jù),，包括 查詢各宿舍的實(shí)時用電情況、根據(jù)輸入金額確定宿舍使用電能量,、啟動電能 表給宿舍供電,、根據(jù)需要遠(yuǎn)程斷開相關(guān)宿舍的用電開關(guān)。學(xué)生通過計(jì)算機(jī)網(wǎng) 絡(luò)訪問電能數(shù)據(jù)采集終端及Web 服務(wù)器,，查詢自己宿舍的實(shí)時用電情況,，以 便及時買電，避免出現(xiàn)意外斷電情況,。買電方式可以采用讓管理人員從電能 計(jì)量管理工作站充值,，也可以采用充值卡方式買電，只要在網(wǎng)上輸入卡號和 密碼就可以充值實(shí)現(xiàn)買電,。

　　3 電能數(shù)據(jù)采集終端及Web 服務(wù)器設(shè)計(jì)

　　3.1 硬件系統(tǒng)

　　電能數(shù)據(jù)采集終端及Web 服務(wù)器硬件系統(tǒng)框圖如圖2 所示,，由于嵌入式微 處理器采用精簡的實(shí)時多任務(wù)內(nèi)核,負(fù)責(zé)各個功能任務(wù)的管理,以滿足電能 表性能不斷擴(kuò)展所需要增加的功能。同時嵌入式微處理器具備網(wǎng)絡(luò)通信功能, 可以方便地?cái)U(kuò)展為遠(yuǎn)程測控中使用的基于TCP/IP 的網(wǎng)絡(luò)化智能儀器,。在嵌 入式微處理器所擁有的硬件資源基礎(chǔ)上建構(gòu)嵌入式Web 平臺,允許管理員在 任意地點(diǎn)通過Web 瀏覽器訪問電能數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)跨平臺的遠(yuǎn)程控制和管理,。

　　S3C2410X 微處理器是一款由Samsung 公司設(shè)計(jì)的基于ARM920T 核的16/32 位RISC 處理器，工作頻率203MHz,，內(nèi)部16KB 數(shù)據(jù)Cache,，16KB 指令Cache,， 帶MMU、外部存儲器控制器,，內(nèi)置LCD 控制器,，NAND FLASH 控制器，SD/MMC 接口支持,，4 個DMA 通道,，3 通道UART,，1 個多主I2C 總線控制器,，1 個IIS 總線控制器，4 通道PWM 定時器及一個內(nèi)部定時器,，117 個通用I/O 口,， 24 個外部中斷源，兩個USB 主/一個USB 從,，8 通道10 位ADC,，實(shí)時時鐘及看 門狗定時器等，內(nèi)核工作電壓1.8V,，I/O 及存儲器3.3V,。

　　目前常用的SDRAM 為8 位/16 位的數(shù)據(jù)寬度，工作電壓一般為3.3V,。系 統(tǒng)中使用Winbond 公司的存儲容量為64M 字節(jié)的存儲芯片,，工作電壓為 3.3V ， 兼容LVTTL 接口,， 支持自動刷新（ Auto-Refresh ） 和自刷新 （Self-Refresh）,，16 位數(shù)據(jù)寬度。

　　Flas 存儲器采用INTEL 的存儲容量為64M 字節(jié)的存儲芯片,，16 位數(shù)據(jù) 寬度,。僅需單3.3V 電壓即可完成在系統(tǒng)的編程與擦除操作，通過對其內(nèi)部 的命令寄存器寫入標(biāo)準(zhǔn)的命令序列,，可對Flash 進(jìn)行編程（燒寫）,、整片擦 除、按扇區(qū)擦除以及其他操作,。

　　采用RTL8019AS 芯片作為以太網(wǎng)接口芯片,，該芯片是NE2000 兼容的網(wǎng) 卡芯片，Linux 內(nèi)核中的TCP/IP 協(xié)議支持NE2000 兼容的網(wǎng)卡芯片,。通過以 太網(wǎng)接口與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸,。 現(xiàn)在的電能表，正在由傳統(tǒng)的機(jī)械式電能表向全電子式電能表轉(zhuǎn)換,，電 能數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)計(jì)要考慮接納各種電能表,，但高校學(xué)生宿舍電能計(jì)量系 統(tǒng)可以一次性地更新為電子式電能表,，所以只設(shè)計(jì)嵌入式CPU 通過現(xiàn)場總線接口與現(xiàn)代電子式表計(jì)接口,讀取多個電能表計(jì)量數(shù)據(jù)。

　　3.2 軟件設(shè)計(jì)

　　在電能計(jì)量應(yīng)用軟件方面,充分利用嵌入式linux 體積小,、固化容易,、 現(xiàn)場實(shí)時反應(yīng)能力強(qiáng)、軟件層次模塊化,、可移植性好的優(yōu)點(diǎn),。將電能計(jì)量軟 件劃分為抄表管理、數(shù)據(jù)庫管理,、參數(shù)設(shè)置,、系統(tǒng)設(shè)置、通訊模塊等子任務(wù) 軟件模塊,由嵌入式linux 負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度和管理,。同時應(yīng)用嵌入式Web 服務(wù) 器技術(shù),運(yùn)行小型精簡的服務(wù)器程序使得遠(yuǎn)程用戶隨時可以通過瀏覽器獲取 Web 服務(wù)器的信息,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時控制,、維護(hù)。

　　由于Web 用戶界面是標(biāo)準(zhǔn)化的,節(jié)約了不同操作系統(tǒng)平臺定制人機(jī)界面的開發(fā),、培訓(xùn)和維護(hù)費(fèi)用,在降低成本的同時,提高了效率,。系統(tǒng)軟件組成如圖3 所示。HTTP 引擎響應(yīng)用戶的請求,、通過虛擬文件系統(tǒng)訪問靜態(tài)數(shù)據(jù)信息,、通 過應(yīng)用程序接口得到動態(tài)數(shù)據(jù)信息。

　　虛擬文件系統(tǒng)為嵌入式Web 服務(wù)器提供 虛擬文件服務(wù),。通過虛擬文件系統(tǒng)將Java,GIF,PDF,HTML 以及文本等文件編 譯為Web 服務(wù)器認(rèn)可的代碼,。配置模塊使系統(tǒng)管理員能夠從任何一臺標(biāo)準(zhǔn)的 Web 瀏覽器上設(shè)置嵌入式Web 服務(wù)器的參數(shù)。配置模塊對標(biāo)準(zhǔn)瀏覽器是開放 的,，這就使得安全問題非常重要,，尤其是對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置和控制信息的訪 問成為安全保護(hù)的重點(diǎn)。安全模塊通過在服務(wù)器上定義安全域和對每個安全 域定義的用戶名/密碼等敏感信息的保護(hù),。還可以對請求數(shù)據(jù)采取加密措施 實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)功能,。應(yīng)用程序接口模塊實(shí)現(xiàn)和嵌入式電能計(jì)量應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù) 據(jù)交換，電能計(jì)量應(yīng)用系統(tǒng)與嵌入式操作系統(tǒng)通信,，實(shí)現(xiàn)對嵌入系統(tǒng)的配置,、 監(jiān)視和控制。

　　4 結(jié)論

　　嵌入式的電能計(jì)量系統(tǒng)是當(dāng)前電能數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程抄送,、統(tǒng)計(jì),、查詢、買電等現(xiàn) 代數(shù)字網(wǎng)絡(luò)式電能計(jì)量管理系統(tǒng)的主要應(yīng)用方向,，基于ARM 的嵌入式電能計(jì) 量系統(tǒng)在高校宿舍應(yīng)用中,，具有電能管理的所有功能，并且能夠讓學(xué)生實(shí)時 查詢宿舍用電情況，還可通過修改軟件擴(kuò)充系統(tǒng)功能,。

　　論文創(chuàng)新點(diǎn)：設(shè)計(jì)電能數(shù)據(jù)采集終端并設(shè)置Web 服務(wù)器,，可以通過瀏覽器 實(shí)時查詢用電數(shù)據(jù)。